小型差分傳聲器陣列安裝誤差分析

小型差分傳聲器陣列安裝誤差分析

1單元誤差對(duì)陣列性能的影響差分檢測(cè)器序列具有抑制遠(yuǎn)場(chǎng)干擾噪聲的功能，可以廣泛應(yīng)用于免除語(yǔ)音通信和輔助聽力系統(tǒng)。小型近講差分傳聲器陣列由幾個(gè)傳聲器單元在一個(gè)小范圍內(nèi)按照一定空間分布安裝而成，由于它在噪聲環(huán)境下具有良好的信號(hào)采集性能，因此越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。在小型近講差分傳聲器陣列的實(shí)驗(yàn)中，位置誤差引起的單元相位誤差會(huì)對(duì)陣列性能產(chǎn)生影響。主要通過(guò)提出互相關(guān)法和相位法2種位置校準(zhǔn)方法，對(duì)小型傳聲器差分陣列單元的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量及校準(zhǔn)，以提高陣列單元位置安裝的精度，確保陣列實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。2小體積、小接觸單元差分對(duì)陣列安裝誤差的影響差分陣列單元一般采用全指向性單元，n個(gè)全指向性的傳聲器可組成（n-1）階的差分陣列。簡(jiǎn)單的一階差分陣列由2個(gè)傳聲器單元組成，如圖1所示。由于現(xiàn)代通信及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，小型差分傳聲器陣列在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的應(yīng)用引起廣大研究人員的興趣。處在球面波聲場(chǎng)中的差分傳聲器陣列，具有明顯的近講效應(yīng)，即采集相對(duì)近場(chǎng)的聲信號(hào)，抵消相對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的噪聲。這里所說(shuō)的相對(duì)近場(chǎng)和相對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)都滿足活塞輻射遠(yuǎn)場(chǎng)r>>a2/λ的條件。例如聲源線度為2cm，聲波頻率為1000Hz，距離聲源大約1.2cm以外的聲場(chǎng)都可認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)。假定某陣列是由若干個(gè)傳聲器差分對(duì)組成，并使用延時(shí)相加的波束形成技術(shù)。由于進(jìn)行小型差分傳聲器陣列實(shí)驗(yàn)的器材尺寸很小，因此對(duì)傳聲器差分對(duì)單元的安裝精度要求很高。理想情況是測(cè)試裝置位于起始位置時(shí)，聲源到達(dá)每個(gè)差分對(duì)的2個(gè)單元聲程差都是零，但有時(shí)由于單元不共面，或差分對(duì)的中心偏離，從而引起傳聲器安裝誤差，如圖2所示。下面的研究表明，不共面的影響要比旋轉(zhuǎn)中心偏離的影響大。首先考慮差分傳聲器陣列物理中心和旋轉(zhuǎn)中心偏離Δ在相對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)和相對(duì)近場(chǎng)情況下對(duì)陣列性能的影響。圖3(a）和圖3(b）分別模擬了聲源距離陣列中心10cm和1m，單元間距為4cm的某二單元差分陣列指向性測(cè)量結(jié)果，陣列靈敏度分別進(jìn)行過(guò)歸一化。實(shí)線表示在相同的測(cè)試條件下傳聲器單元位置安裝精確的陣列指向性，虛線表示物理中心偏離旋轉(zhuǎn)中心Δ=2mm的陣列指向性。極角表示旋轉(zhuǎn)角度，極軸的幅值為陣列輸出信號(hào)的大小?？煽闯霾罘謱?duì)的中心位置變化偏差對(duì)相對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的指向性測(cè)試結(jié)果沒有產(chǎn)生明顯影響，但是對(duì)差分陣列相對(duì)近場(chǎng)的指向性測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生了影響。雖然變化不是很明顯，但在相對(duì)近場(chǎng)的條件下還是需要注意安裝誤差帶來(lái)的影響。圖2中顯示了陣列單元不共面的情況，即某一對(duì)差分單元在起始位置就有一定的偏轉(zhuǎn)。指向性測(cè)試結(jié)果如圖4所示，實(shí)線表示陣列單元共面的測(cè)試結(jié)果，虛線表示單元不共面的測(cè)試結(jié)果?？煽闯鲈摬罘謧髀暺鲗?duì)的指向性不同于精確安裝的陣列指向性，從而對(duì)整個(gè)陣列的指向性也會(huì)產(chǎn)生影響。以上分析表明，為了提高實(shí)驗(yàn)精度，有必要對(duì)差分陣列進(jìn)行位置校準(zhǔn)。3傳聲器單元的差分使用延時(shí)相加波束形成技術(shù)的差分小陣列的信號(hào)處理對(duì)陣列單元的相位特別是高頻相位的要求非常嚴(yán)格。傳聲器尤其是駐極體傳聲器生產(chǎn)工藝的逐步提高，使得傳聲器單元本身的相位差小于由聲波傳播引起的相位差。優(yōu)質(zhì)的傳聲器相位差可控制在0.2°以下，而聲波傳播1～2mm的聲程差在1kHz處引起的相位差有1～2°。在相關(guān)的研究中使用的陣列總共有4個(gè)差分對(duì)。通過(guò)用互相關(guān)法和相位法2種校準(zhǔn)方法，測(cè)量了陣列單元零相差方向角的變化，準(zhǔn)確得到了陣列單元相對(duì)位置的校準(zhǔn)值，因而有效地實(shí)現(xiàn)了陣列單元位置的校準(zhǔn)。3.1采樣率過(guò)時(shí)間差測(cè)量模型可通過(guò)以下2種方法得到陣列單元之間的相對(duì)位置信息：(1）把一對(duì)傳聲器同步采集的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，尋找互相關(guān)信號(hào)最大值，得到2信號(hào)之間的延時(shí)τ，再乘以聲傳播速度c0得到相對(duì)位置間距d=c0τ。(2）測(cè)量一對(duì)傳聲器同步采集的信號(hào)相位差Δφ，根據(jù)頻率f和聲傳播速度c0得到這一對(duì)傳聲器的位置間隔d=C0Δφ/（2πf）。通過(guò)互相關(guān)求2個(gè)信號(hào)的延時(shí)是常用的方法，τ是采樣間隔的整數(shù)倍。若采用如圖2的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，聲源距離2傳聲器連線中心O點(diǎn)為8cm，傳聲器間隔為3.5cm，聲速取340m/s。該實(shí)驗(yàn)需要2傳聲器沿虛線所示軌跡以O(shè)為圓心旋轉(zhuǎn)一周，每相隔10°以fs=48kHz的采樣率進(jìn)行一次錄音，并分析這一組錄音信號(hào)序列之間的時(shí)間差τn，即聲波抵達(dá)傳聲器的時(shí)間差。相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)（對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角相差10°）的時(shí)間差變化率τn-τn-1(n=1,2，…，36）如圖5所示，虛線表示對(duì)應(yīng)采樣率下的最小時(shí)間分辨率1/fs，可看出互相關(guān)的方法無(wú)法區(qū)分τn和τn-1之間的變化，所以用它來(lái)分析2支傳聲器的相對(duì)位置的精度也會(huì)受到限制。分析2組信號(hào)的相位差同樣可得到聲波抵達(dá)2傳聲器單元的時(shí)間差，理論上這個(gè)相位差包含了聲傳播路程和傳聲器單元的相位差。中科院聲學(xué)所的研究表明，傳聲器的相位差異對(duì)這2組信號(hào)延時(shí)的影響可忽略，或者可等效為聲程差的影響。兩組序列的頻率及相位精度會(huì)受到采樣頻率和序列長(zhǎng)度的限制，而插值DFT的方法可彌補(bǔ)這一缺陷。使用插值DFT方法可在相對(duì)低的頻率分辨率下還原信號(hào)的真實(shí)頻譜。通過(guò)DFT分析序列的頻率分辨率是Δf=1/（NΔt），其中N是序列的長(zhǎng)度，fs=1/Δt是采樣頻率。實(shí)現(xiàn)插值DFT的方法如下其中f是信號(hào)的頻率，φ是該頻率的相位，L是信號(hào)頻譜的最大值點(diǎn)，Δf=1/（NΔt）是頻率分辨率，而δ的求解由頻譜最大值X(L）和相鄰的次大值X(L+i）決定其中，i可以是1或-1。3.2單元安裝位置誤差的校準(zhǔn)按照上面提到的方法將該陣列旋轉(zhuǎn)一周，可獲得連續(xù)變化的陣列單元相對(duì)位置Δr，通過(guò)分析Δr的變化，可得到陣列單元安裝的精度信息。圖6是某陣列4組差分對(duì)傳聲器單元距離聲源的聲程差隨旋轉(zhuǎn)角變化的曲線。實(shí)線表示實(shí)測(cè)的聲程差變化曲線，虛線表示精確安裝的單元之間的聲程差變化曲線。如果陣列安裝無(wú)誤，單元間的零相差應(yīng)該發(fā)生在起始位置?？煽闯鐾ㄟ^(guò)相位法分析傳聲器相對(duì)位置差的精度要比互相關(guān)法分析的精度高。在比較細(xì)致的安裝條件下，陣列單元的位置誤差在可接受的范圍內(nèi)，如單元1-2，單元5-6。從圖中可看出單元7-8的零相差位置不在起始位置，單元3-4的安裝也存在輕微偏差。單元3-4在起始位置離開聲源的位置誤差都小于單元7-8。因此需要對(duì)這2組單元進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)前面所述，假設(shè)這個(gè)偏差是由傳聲器中心偏離旋轉(zhuǎn)中心引起的（如圖7所示），2個(gè)傳聲器間距是d，點(diǎn)聲源距離傳聲器陣列中心位置r。如果傳聲器中心偏離旋轉(zhuǎn)中心Δ，則傳聲器圍繞連線中心旋轉(zhuǎn)360°，在傳聲器連線的垂線轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ時(shí)，從聲源到2個(gè)傳聲器的聲傳播路程分別為則聲波抵達(dá)2傳聲器的聲程差，若零聲程差對(duì)應(yīng)它的零相差點(diǎn)不在0°或180°，而在處，利用θ及r可求出傳聲器對(duì)的物理中心偏離旋轉(zhuǎn)中心的距離Δ。并可據(jù)此調(diào)整傳聲器對(duì)的位置。而根據(jù)單元7-8的零相差點(diǎn)θ≈37°，這時(shí)Δ=rsinθ>d，假設(shè)是由于中心偏離，偏離程度應(yīng)該是4.8cm，這一結(jié)果大于差分對(duì)單元本身的尺寸3.5cm，因此中心偏離不是引起這一現(xiàn)象的原因。如果將共面的差分對(duì)一開始就旋轉(zhuǎn)37°，可得到產(chǎn)生同樣偏差的測(cè)量結(jié)果，因此判斷該差分傳聲器對(duì)和其它傳聲器不在同一個(gè)平面。觀察實(shí)驗(yàn)裝置也證實(shí)了這一判斷。經(jīng)過(guò)調(diào)整并比較調(diào)整后的陣列指向性和未經(jīng)調(diào)整的陣列指向性，發(fā)現(xiàn)有明顯的改善，如圖8所示。4